紙のバリア特性を向上させる方法

抽象的な

環境保護の潮流に逆行する形で、水性塗料は紙のバリア性能を向上させる持続可能なソリューションとして注目を集めている。本稿では、塗工プロセス、原紙の特性、塗工方法、水性バリア塗料の固有特性など、塗工紙のバリア特性に影響を与える主要な要因について解説し、紙包装の性能最適化のための実践的な指針を提供する。

導入

プラスチック包装 プラスチックは利便性を提供する一方で、生分解性がないという性質から深刻な環境問題を引き起こします。リサイクルやパルプ化が可能な紙は、従来のプラスチックに代わる環境に優しい食品包装材としてますます注目を集めています。しかし、紙の多孔質の繊維構造は、水蒸気、油、水、その他の液体に対するバリア性が低く、その幅広い用途を制限しています。

そこで、水性コーティング剤が開発された。従来のポリエチレン（PE）押出コーティング紙製品とは異なり、水性コーティング剤は使い捨て紙包装の再生パルプ化を容易にし、製紙工場におけるバージンパルプの部分的な代替を可能にし、使い捨て紙包装の環境負荷を最小限に抑える。

分散剤および樹脂のリーディングカンパニーであるBASFは、革新的な製品を通じて持続可能性に取り組んでいます。同社の高性能水性バリア剤であるJoncryl® HPB（High Performance Barrier）シリーズは、優れた紙バリア特性を発揮し、プラスチック使用量の削減、溶剤排出量の低減、そして包装の二酸化炭素排出量の削減に貢献します。

塗工紙のバリア特性に影響を与える主な要因

1. コーティング工程

バリアコーティングは、紙の表面に水性層を塗布することで、液体や気体の通過を遮断する仕組みです。一般的に、コーティングの重量を増やすとバリア性能は向上しますが、コストも増加するため、製造においては性能とコストのバランスを取る必要があります。

• ベース紙の二重コーティング

食品包装用の未塗工原紙は、表面の多孔性、水分量、坪量、厚みが不均一な場合が多く、水性塗料が乾燥中に紙に浸透し、塗膜の層が不均一になる原因となります。前処理や二重塗工を行うことで、この問題を効果的に軽減し、単層塗工に比べてより均一な塗膜と優れたバリア性能を実現できます。

• 乾燥温度と方法

乾燥条件はバリア効果に大きく影響します。スチレンアクリルエマルジョンにはそれぞれ最適な乾燥温度があり、バリア特性を最大限に発揮できます。バリアコーティングには熱風乾燥が推奨されます。熱風乾燥は、乾燥曲線を調整することで均一な乾燥が可能になり、コーティングから残留揮発性臭気を効果的に除去できるためです。

2. 原紙の特性

基材紙の特性（平滑性、通気性、光沢、繊維組成など）は、その吸水性、ひいては最終的なコーティング効果を決定づけます。同じバリアコーティング、プロセス、コーティング量であっても、基材紙が異なると、表面粗さや構造の均一性の違いにより、バリア効果は大きく異なります。

3. コーティング方法

一般的なコーティング方法には、ブレードコーティング、計量ロッドコーティング、エアナイフコーティング、アニロックスコーティングなどがあります。最初の3つは製紙工場で広く用いられており、アニロックスコーティングは印刷工場で一般的です。コーティング方法の選択は、原紙の坪量、目標コーティング量、バリア性要件に基づいて行う必要があります。

例えば、エアナイフコーティングやアニロックスコーティングは、キット6の耐油性を満たすために、20～30g/m²のハンバーガーペーパーに約3g/m²のコーティングを施すのに適しており、低コーティング量で均一なコーティングと高いバリア性能を実現します。

4. 水性バリアコーティングの固有特性

• バリアコーティングは、さまざまなバリアメカニズムに基づいて設計されています。

水蒸気バリアコーティング：コーティングと水蒸気の極性差を最大化することで溶解係数を低減します。コーティングの重量と厚さを増やすことで、水蒸気バリア性能が向上します。

• 油水バリアコーティング

ポリマーの溶解度、ガラス転移温度、コアシェル構造、酸価、およびpHの影響を受け、油性物質の浸透を膜形成によって阻止または遅延させる。

コーティングは、多機能性（耐油性、耐水性、水蒸気バリア性、ヒートシール性）を備えたものもあれば、単一機能のバリア性能を備えたものもあります。選択は、特定の用途ニーズに合わせて行う必要があります。

結論

プラスチック規制の強化に伴い、「プラスチックを紙に置き換える」時代が到来しました。BASFが代表を務める材料サプライヤー各社は、持続可能なグリーンパッケージに対する市場ニーズに応えるため、革新的なバリアコーティングを積極的に推進しています。高性能水性バリアコーティングの開発と応用は、環境に優しいパッケージにおける紙の可能性をさらに広げるでしょう。